小电流接地系统故障区段定位方法

许君 成振华

【摘 要】配电网广泛采用中性点不接地运行方式和经消弧线圈接地运行方式，即小电流接地系统。配电网结构复杂，故障多发，尤其单相接地故障最甚。本文深入分析基于配电网的小电流单相接地故障特征，提出一种基于暂态零序电流的配电自动化系统小电流接地故障区段定位新方法，提出了适应分布式故障处理的小电流接地故障暂态原理定位算法。

【关键词】配电网;小电流接地故障;零序电流;故障区段定位;

1 研究背景

现有依赖主站的集中式小电流接地故障定位方法参与环节多、不同厂家产品之间不易配合。需要依赖配电终端、通信系统、子站或主站的可靠协调配合，在掌握全局信息的基础上才能做出正确判断、生成处理策略，故障处理时间较长，参与环节多、可靠性低，并发故障时主站处理能力不足，特别是小电流接地故障暂态定位方法算法复杂，主站需要开发专用的处理模块，存在软件产权、系统管理等限制。为提高配电网故障处理的性能，对各种故障处理的方式进行比较，提出了分布智能协调控制策略。该方法依赖主站，通信压力大，速度慢，投资大。通过对现有技术进行研究，提出一种基于分布式配网自动化系统的小电流接地故障定位方法。该方法是馈线终端（Feeder Terminal Unit，FTU）之间通过对等通信交换故障信息，对采集到的暂态零序电流计算相似系数来确定故障的位置。这种基于分布式智能的故障定位方法，能适用于所有的检测点，适应范围广。除此之外，它不依赖于主站，减小了通信压力，可提高供电可靠性。

2 故障分析

中性点不接地系统有n条输电线路，假如故障发生在其中一条线路上，检测点在AD线段中，在A、B、C、D四处分别设置一个负荷开关，E为故障点，零模等效电路如图1所示。

在AB区段的暂态零模电流为

式中i为故障点右侧所有正常线路的暂态零模电流相加;i为AB段与大地之間的暂态零模电流。由上可知，CD区段的暂态零模电流为

式中i为故障点右侧所有正常线路的暂态零模电流之和;i为CD段与大地之间的暂态零模电流。由式（1）、（2）得，各个检测点的暂态零模电流之差等于它们之间线段的暂态电容电流。由于AB、CD段的线路比较短，故线段之间的暂态电流远远小于健全线路的零模电流总和，所以可以忽略AB、CD与大地之间的电容电流，则AB、CD段两端的暂态零模电流近似相等，即i≈i，i≈i，二者的波形相似。

3 分布式小电流接地故障定位算法

3.1 各区段两侧暂态电流相似性特征分析

相似系数是描述两个函数之间在任意时刻的相似程度，能分析函数中每一个分量的大小和角度关系，是描述随机变量的重要统计数学特征。因此，可以求相邻检测点暂态电流之间的相似系数来分析它们之间的相似程度。

3.2 各区段两侧暂态电流有效值特征分析

定义各区段暂态电流有效值系数M为：

M表示故障点上游健全区段两侧暂态电流有效值系数;M表示故障点下游健全区段两侧暂态电流有效值系数;M表示故障区段两侧暂态电流有效值系数。一般配电网中整个系统对地电容电流大于故障线路对地电容电流2倍以上，每条馈线上装设3或4个FTU。

3.3 各检测点暂态零序电流峰值与工频

零序电流幅值特征分析：设U为虚拟电压幅值;ω为工频频率;ω、ω为故障点上、下游主谐振频率;C、C为监测点上、下游等效电容;φ为故障初相角。无论不接地系统还是经消弧线圈接地系统，单相接地时，故障点下游检测点暂态零序电流峰值为：

故障点下游检测点工频零序电流幅值为：

对于故障点下游检测点，暂态零序电流峰值与工频零序电流幅值的比值均相等，可表示为：

同理可得，在不接地系统中，单相接地时故障点上游各监测点暂态零序电流峰值与工频零序电流幅值的比值均相等。同理根据相关公式可知，综上，故障区段两侧h不等，故障点下游健全区段两侧h相等，可利用该特征区分故障区段和故障点下游健全区段。

4 分布式故障定位算法

4.1 分布式故障定位思路

对于两侧均设有监测点的区段，同时利用两侧监测点故障特征，可直接判断其属性（故障区段、上游健全区段或下游健全区段）。对于只有1个监测点的末端区段，无法直接判断区段属性，可借助其上游区段属性进行判断，即：当上游区段属性为上游健全区段时，则其为故障区段，否则为下游健全区段。

4.2 分布式故障定位判据

根据上述分析，各区段两侧暂态电流相关系数、暂态电流有效值系数以及暂态零序电流峰值与工频零序电流幅值比特征如表1所示，综合利用这些特征判断区段属性。其中，S表示上游健全区段;S表示下游健全区段;S表示故障区段。

4.3 分布式故障定位流程

正常运行时，通过逐级查询方法识别系统拓扑结构，确定各个相邻节点间的电气连接关系。以某个主控FTU为例，说明故障发生后的处理流程。

a.故障时，FTU根据暂态零序电流越限/暂态零序电压越限启动并作为主控FTU，首先将其所监测的节点作为根节点。若该节点不是最末检测点，则将其下游相邻检测点作为子节点，若为最末检测点，则将其上游相邻检测点作为子节点。

b.向其子节点FTU请求故障信息，子节点FTU返回故障零序电流录波数据。

c.计算两检测点暂态零序电流波形相关系数、暂态电流有效值系数以及区段两侧暂态零序电流峰值与工频零序电流幅值之比。

d.首先判断该区段两侧检测点暂态电流波形是否相似但极性相反。若是，则该区段为故障区段，执行步骤g，否则执行步骤e。

e.判断该区段M

f.判断该区段两侧检测点h之差的绝对值是否小于预设门槛值hT（可取为1）。若是，则该区段为故障点下游健全区段，该FTU停止运行。否则为故障区段，执行步骤g。

g.参照短路故障协同模式处理方式进行故障隔离及恢复健全区段供电。

h.将定位和处理结果上报主站。

5 结论

本文经过理论分析计算，根据故障区段、故障点上游健全区段与下游健全区段两侧暂态电流波形相关系数、暂态电流有效值系数以及区段两侧暂态零序电流峰值与工频零序电流幅值之比特征，实现了分布式小电流接地故障定位。

（作者单位：国网永州供电公司）